青巖山隧道施工監控量測分析

張翔鶴

(福建省交通科研院有限公司，福州 350004)

1 工程概況

青巖山隧道全長3474.5 m，左右洞呈分離或小凈距布置，左洞全長3479 m，右洞全長3470 m，為特長隧道，位于長福高速A1-2 與A2 合同段分界處。 本合同段(A1-2)內起訖樁號為：左洞ZK65+096～ZK66+488.258，右洞YK65+095～YK66+500。 左洞長1392.258 m， 右洞長1405 m。隧道進口段左右洞均位于直線范圍內，分別處于半徑1500 m、1550 m 圓曲線上。 左洞縱坡坡率/坡長為0.5%/854 m，-1.288%/538.258 m； 右洞縱坡坡率/坡長為1%/855 m，-1.362%/550 m。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

隧道區屬剝蝕丘陵地貌，地形起伏變化大，地面高程115～450 m，相對高差約335 m，進口側坡度約10°～30°，出口側坡度約23°～30°， 上覆坡積粘性土-強風化熔結凝灰巖，坡體較穩定，破面植被發育，主要為林木，坡腳及溝谷低洼處為水稻田。

2.2 工程地質條件

隧道址區表層地表上覆為第四系殘坡積層， 下覆基巖為侏羅系南園組凝灰熔巖及其風化層。 隧道洞身圍巖為微風化凝灰熔巖，屬堅硬巖，巖體較完整～完整，對隧道洞身圍巖的穩定較有利。 隧址區發育2 條斷層，5 條節理裂隙密集帶，對圍巖穩定不利，影響隧道圍巖級別，隧道開挖時，圍巖穩定性較差，易產生塌方掉塊。

隧道最大埋深約330 m， 深部圍巖主要為微風化熔結凝灰巖，為堅硬巖，巖體多呈塊狀，節理裂隙較發育，鉆探過程中，未發現巖芯餅化現象，據區域資料，本隧道屬于一般應力區，發生巖爆的可能性不大，即使局部地段發生巖爆，也屬于輕微巖爆，對工程影響小。

2.3 水文地質條件

隧道位于當地侵蝕基準面之上，山坡坡體較陡，地形起伏較大， 隧址區地表穿越多條山凹沖溝， 屬季節性溝谷，具有典型的山區溝谷特征，隧道進口段發育一沖溝，勘察期間少有流水，流量小于6 m3/d，水流較清澈，水量受雨季影響較大，對隧道施工及運營不利。

場地環境類型為Ⅱ類，隧道圍巖為弱透水層，場區地下水、地表水所測的各項指標對混凝土及混凝土中鋼筋有微腐蝕性。 計算得出隧道單洞最大總涌水取13300 m3/d，正常涌水量取值6500 m3/d。

3 監測方案

根據青巖山隧道現場圍巖條件， 在噴射混凝土施工前，在拱頂與左、右拱腰處預埋土壓力計，用以監測圍巖壓力；同時，在臨近的鋼支撐內、外側翼緣安裝表面應變計，用以監測鋼支撐受力情況。此外，在斷面拱頂與左、右拱腰處就近施作的錨桿上各安裝3 個鋼筋應力計進行錨桿軸力監測， 并在監測的錨桿周邊各安裝一個位移計進行圍巖內部位移監測[1]。

在掛防水板及澆筑二襯混凝土前在拱頂與左、 右拱腰處分別安裝土壓力計，用以監測兩層支護間壓力；并在二襯混凝土施工前在拱頂與左、 右拱腰處安裝埋入式應變計，用以監測二襯混凝土受力情況。

所有監測元件盡量安裝在整個斷面內， 各傳感元件埋設位置如圖1 所示。

4 施工監控量測分析

4.1 洞內外變形分析

圖1 監測元件安裝示意圖

先選取YK66+143 斷面展開分析，該斷面埋深＞300 m，圍巖為微風化凝灰巖，節理裂隙較發育，巖體較完整，呈塊碎狀鑲嵌結構，拱頂右側有股狀裂隙水流出，地質預報顯示前方為節理裂隙密集帶， 施工中對該處附近位置進行了加強支護。

圖2 拱頂下沉-時間曲線圖

圖3 周邊位移-時間曲線圖

由圖2～3 可知， 洞內變形主要發生在開挖后的幾天時間，在及時支護后隨著開挖面的掘進，監測點受到的擾動逐漸減弱，監測斷面在較短時間內就達到了穩定，監測期間洞內觀察無異常。

4.2 支護結構受力分析

4.2.1 二襯內應力

由圖4 可知，不同位置的二襯混凝土應力差別較大，隨混凝土強度增長一直處于緩慢變化中， 整體增幅相對較小，在達到強度后趨于穩定。 對比鋼支撐內力，二襯各位置受力值較小，可見還有極大的受力潛力，也說明鋼支撐在整個支護結構中起到很好的支護效果， 初級支護系統承擔了大部分圍巖壓力， 二襯混凝土則可視為巨大的安全儲備。

圖4 二襯應力-時間曲線圖

4.2.2 兩層支護間壓力

由圖5 可知，初支與二襯間壓力分布有些許不均勻，拱頂處壓力最大， 左拱腰、 右拱腰漸次減小呈較對稱分布。初支與二襯間壓力初始階段略有波動，在二襯混凝土凝固、產生強度后，各處壓力趨于穩定，最終表現為與圍巖壓力較一致。

圖5 兩層支護間壓力-時間曲線圖

4.2.3 鋼支撐內力

由圖6 可知，鋼支撐內力受壓為正，鋼支撐外環以受壓為主，內環以受拉為主，初期支護產生作用后，鋼支撐受力趨于平穩。當二襯施工完畢產生強度，亦分擔了圍巖壓力，如拱頂內緣處受力隨二襯施工、混凝土產生強度過程中，逐漸減小拉力，甚至處于不受力狀態，其余鋼支撐受力幾乎不變， 表明鋼支撐與噴射混凝土共同承擔了大部分圍巖壓力，二襯分擔初期支護的小部分應力。

圖6 鋼支撐內、外緣應力-時間曲線圖

總體來看，鋼支撐在初期支護系統中所受應力較大，承受了大量圍巖荷載， 對提高初期支護整體強度起到了很大作用，對于破碎帶處等圍巖條件不佳的隧道來說，施作鋼拱架是很有必要的[2]。

4.2.4 錨桿軸力

結合圖7～9 可知，各錨桿受力初期變化較大，淺層圍巖較深層圍巖受開挖影響更大， 錨桿軸力隨埋深增大逐漸減小。 整體而言，錨桿以受拉為主，各錨桿軸力受力變化不大，呈穩定狀態，受力值也較小，圍巖比較穩定。

圖7 拱頂處錨桿軸力監測時間曲線圖

圖8 左拱腰處錨桿軸力監測時間曲線圖

圖9 右拱腰處錨桿軸力監測時間曲線圖

4.3 圍巖受力變形分析

4.3.1 圍巖壓力

由圖10 可知，圍巖與初期支護之間的壓力分布并不均勻， 但已趨穩定。 監測期內呈現出左拱腰圍巖壓力較大，左、右拱腰圍巖壓力呈不對稱分布，拱頂相對較小的情況，可知拱頂應力已釋放充分，圍巖或因右洞先行且地勢較左洞低呈現偏壓。該斷面各測點壓力雖有差異，但整體數值均較小，附近圍巖條件較好。且隨著二襯混凝土澆筑完畢，各測點圍巖壓力漸趨穩定且小于最大值，說明二襯已發揮作用，開始受力[3]。

圖10 圍巖與初支之間壓力-時間曲線圖

4.3.2 圍巖位移

圖11 圍巖位移-時間曲線圖

由圖11 可以看出， 各監測點位移變化模式類似，總體變形量小，其中拱頂位置變形量較左、右拱腰稍大，圍巖較快產生成拱效應。各監測點初期位移變化較大，隨后趨于平緩， 與錨桿軸力監測曲線圖印證監測斷面附近圍巖條件較好，圍巖自承載能力強，且初支及時，所以圍巖總體位移很小。

5 結論和建議

青巖山隧道YK66+143 斷面施工中處于Ⅲ級圍巖自加強范圍，為抗壓強度較高堅硬巖，監測反應圍巖位移與錨桿軸力均較小，且很快趨于穩定，故支護結構和施工方法合理，安全性高。

可考慮在后續開挖的類似或更佳圍巖條件位置優化系統錨桿參數， 如適當縮短錨桿長度或減少系統錨桿數量，亦可盡快施工二襯，實現安全快速施工，減少工序。